焊接冶金学基本原理要点归纳总计

1、绪论1 焊接 :焊接是指被焊工件的材质(同种 或异种 ,通过加热或加压或二者并用, 并且用或不用填充材料, 使工件的材质达 到原子间的结合 而形成永久性连接的工 艺过程。2 焊接、钎焊和粘焊本质上的区别 :焊接:母材与焊接材料均熔化,且二者 之间形成共同的晶粒;钎焊:只有钎料熔化,而母材不熔化, 在连接处一般不易形成共同晶粒, 只有在 母材和钎料之间形成有相互原子渗透的 机械结合;粘焊:既没有原子的相互渗透而形成共 同的晶粒也没有原子间的扩散, 只是靠粘 接剂与母材的粘接作用。3 熔化焊热源 :电弧热、等离子弧热、电 子束、激光束、化学热。压力焊和钎焊热源 :电阻热、摩擦热、 高频感应热。4

2、焊接加热区 可分为活性斑点区和加热 斑点区5 焊接温度场:焊接时 焊件上的某瞬时 的温度分布称为焊接温度场。6 稳定温度场:当焊件上温度场各点温 度不随时间变化时,称之7 准稳定温度场:恒定功率的热源作用 在焊件上做匀速直线运动时, 经过一段时 间后,焊件传热达到饱和状态,温度场会 达到暂时稳定状态, 并可随着热源以同样 速度移动。8 焊接热循环:在焊接热源的作用下, 焊件上某点的温度随时间的变化过程。 第一章1 平均熔化速度:单位时间内熔化焊芯 质量 或长度。平均熔敷速度:单位时间内熔敷在焊 件上的金属质量称为平均熔敷速度。 损失系数:在焊接过程中,由于飞溅、 氧化、蒸发损失的一部分焊条金属

3、 (或焊 丝 质量与熔化的焊芯质量之比称焊条损 失系数。熔合比:焊缝金属中,局部熔化的母 材所占的比例。熔滴的比表面积 :表面积与质量之比 2 熔滴过渡的形式:短路过渡、颗粒状 过渡和附壁过渡。3 熔池:焊接热源作用在焊件上所形成 是熔池。4 焊接过程中对金属的保护的必要性:(1防止熔化金属与空气发生激烈的相互作用,降低焊缝金属中氧和氮的含量。(2防止有益合金元素的烧损和蒸发而减少,使焊缝得到合适的化学成分。 (3防止电弧不稳定,避免焊缝中产生气孔。5 手工电弧焊时的反应区:药皮反应区、熔滴反应区和熔池反应区。6 药皮反应区主要物化反应有 :1 水分蒸发: 2 有机物燃烧和分解:3 铁合金氧化

4、:7 熔滴反应区的特点:1 熔滴温度高,熔滴金属过热度大;2 熔滴与气体和熔渣的接触面积大;3 各相之间的反应时间短;4 熔滴与熔渣发生强烈的混合。8 焊接区气体来源:1焊接材料 :焊接区内的气体主要来源于焊接材料。焊条药皮、焊剂及焊丝药芯中都含有造气剂。2热源周围的气体介质 :热源周围的空气是难以避免的气体来源, 而焊接材料中的造气剂所产生的气体, 不能完全排除焊接区内的空气。3焊丝和母材表面上的杂质 :焊丝表面和母材表面的杂质,如铁锈、油污、氧化铁皮以及吸附水等, 在焊接过程中受热而析出气体进入气相中。气体的产生:1 有机物的分解和燃烧2 碳酸盐和高价氧化物的分解3 材料的蒸发9 氮对金属

5、的作用:焊接时电弧气氛中氮的主要来源是周围的空气。焊接时空气中的氮总是或多或少地会侵入焊接区,与熔化金属发生作用。氮对焊接质量的影响:1 促使焊缝产生气孔:液态金属在高温时可以溶解大量的氮, 凝固结晶时氮的溶解度突然下降, 过饱和氮以气泡形式从熔池中逸出, 若焊缝金属的结晶速度大于氮的逸出速度时,就形成气孔。2 氮是提高低碳、低合金钢焊缝强度,降低塑性和韧性的元素。 如果熔池中含有比较多的氮, 一部分氮将以过饱和的形式存在于固溶体中; 另一部分氮则以针状氮化因而使焊缝金属的强度、硬度升高,而塑 性、韧性,特别是低温韧度急剧下降。 3 氮是促使焊缝金属时效脆化的元素:焊 缝金属中过饱和的氮处于不

6、稳定状态, 随 着时间的延长,过饱和的氮逐渐析出,形 成稳定的碳氮化物 Fe 4N , 因而使焊缝金属 的强度增加、塑性、韧性降低。4 氮可以作为合金元素加入钢中。 在焊缝 金属中加入能形成稳定氮化物元素,如 RE 、 A1、 Ti 、 Zr 等,可以抑制或消除时效 现象。控制焊缝合氮量的措施1 加强焊接区的保护(1焊条药皮的保护作用,取决于药皮 的成分和数量。(2药芯焊丝的保护效果,取决于保护 成分含量和形状系数。2 焊接工艺参数的影响(1U(电弧长度 ,氮可以与熔滴 作用时间 , S N ,应尽量采用短弧 焊。(2 I, 熔滴过渡频率 f,熔滴阶段作 用时间 , SN 。直流正极性焊接时焊

7、缝含氮量比反 极性 (焊条接正极,工件接负极 时高。(3 焊接速度对焊缝的含氮量影响不大。(4增加焊丝直径,熔滴变粗,焊缝含 氮量下降。(5 多层焊时焊缝含氮量比单层焊时高, 这与氮的逐层积累有关3 利用合金元素控制焊缝合氮量:(1增加焊丝或药皮中的含碳量可降 低焊缝的含氮量,其原因是:a碳能够降低氮在铁中的溶解度。b碳氧化生成 CO 、 CO 2加强保护作用, 降低了氮分压。c碳的氧化引起熔池沸腾, 有利于氮 的逸出。(2Ti、 A1、 Zr 和稀土元素对氮有较大 的亲合力,能形成稳定的氮化物。并且这 些氮化物不溶于铁水,而进入熔渣中。这 些元素对氧的亲力也很大,因此,可减少 气相中 NO

8、的含量,这在一定程度上减少 了焊缝的含氮量。10 焊缝金属中的氢扩散氢:氢原子及离子半径很小,可 以在焊缝金属晶格中自由扩散, 故被称为 扩散氢。显微裂纹或非金属夹杂物边缘的微小空 隙中时,结合成氢分子,由于分子的半径 大而不能自由扩散,被称为残余氢。 氢对焊接质量的影响1 形成气孔 熔池凝固结晶时, 氢的溶解 度突然下降,使氢处于过饱和状态,就促 使发生如下反应:2HH 2,反应生成的分 子氢在液态金属中形成气泡。 当气泡向外 逸出的速度小于熔池的凝固速度时, 就在 焊缝中形成气孔。2产生冷裂纹 焊接接头冷却到较低温 度下 (对于钢来说在 M s 温度以下 时才产 生的焊接裂纹称为冷裂纹。3

9、 造成氢脆 氢在室温附近使钢塑性严 重下降现象称为氢脆。 氢脆是由于原了氢 扩散聚集于钢显微空隙中,结合为分子 氢,造成空隙内产生很高压力,阻碍金属 塑性变形,导致金属变脆。4 出现白点 白点是出现在焊缝金属拉 伸或弯曲试件的断面上的一种白色园形 斑点,中心含有微细气孔或夹杂物,周围 则为银白色的脆化部分, 其形状类似鱼眼 珠中的白点。它主要是在外力作用下,氢 在微小气孔或夹杂物处的集结造成脆化。 控制氢的措施1 限制焊接材料中的含氢量 焊接材料 使用前进行烘干2 清除工件及焊丝表面上的油污、杂质 工件坡口附近以及焊丝表面上的铁锈、 油污、水分等是使焊缝增氢原因之一。 3 冶金处理1焊条药皮和

10、焊剂中加入氟化物 生成 HF ,(碱性焊条 HF 是比较稳定的气体, 高温时不易分解,也不溶于液体金属 中。 2控制焊接材料的氧化还原势 3在焊条药皮或焊芯中加入微量的稀 土或稀散元素 加入微量的 Y 、 Te 、 Se 可 以大幅度降低扩散氢含量。4 控制焊接工艺参数5 焊后脱氢处理碱性焊条 (碳酸盐分解受热 CO 2+H=CO+OH11 氧对焊接质量的影响1 焊缝的强度、塑性、韧性明显下降;尤 其是焊缝金属的低温冲击韧度急剧下降, 引起焊缝金属的时效硬化、热脆及冷脆 等、以及物理及化学性能的变化。2 形成气孔:在熔池阶段,溶解的氧与碳 CO 。如果在熔池进行凝固时 CO 气泡来不及逸出,就

11、会形成 CO 气孔。3 烧损的有益合金元素, 从而使焊缝金属的性能变坏。4 形成飞溅 在熔滴中所进行的氧与碳的冶金反应,生成 CO 受热膨胀,造成熔滴爆炸,形成飞溅,破坏了焊接过程的稳定性。控制氧的措施 是预防和脱氧。(1 采用纯度高的焊接材料 尽量采用不含或少含氧量的焊接材料。例如,采用低氧或无氧焊条、焊剂;采用高纯度的惰性气体作为保护气体;真空条件下焊接,可以降低焊缝金属含氧量。(2 控制焊接工艺参数 增加电弧电压使空气容易侵入电弧, 并且增加了氧与熔滴接触的时间,致使焊缝含氧量增加。为了减少焊缝合氧量应尽量采用短弧焊。(3 采用冶金方法进行脱氧 通过向焊丝或焊条药皮中加入某种合金元素,

12、使这些合金元素在焊接过程中被氧化, 从而保护被焊金属及其合金元素不被氧化。活性溶渣对金属的氧化 扩散氧化 。 置换氧化12 熔渣在焊接过程中的作用(1机械保护作用(2冶金处理作用(3改善焊接工艺性能13 焊缝金属的脱氧脱氧反应可以分为 先期脱氧 沉淀脱氧扩散脱氧用于脱氧的元素或铁合金 称为脱氧剂。脱氧 就是焊丝、 焊剂或焊条药皮中加入某种元素, 使它在焊接过程中夺取氧而自身被氧化,使被焊金属不被氧化,或减少氧化。选择脱氧剂原则:1 在焊接温度下脱氧剂对氧的亲和力应大于母材对氧的亲和力。焊接铁基合金时, A1、 Ti 、 Si 、 Mn 等可作为脱氧剂。2 脱氧产物不溶于液态金属,其密度也应小于

13、液态金属的密度, 从而使脱氧产物尽快上浮到液体中上, 以减少夹杂物的数量,提高脱氧效果。3 综合考虑脱氧剂对焊缝成分、力学性能及焊接工艺性能的影响。4 在满足技术要求的前提下,应注意经济性。增加金属中的含锰量,减少渣中 MnO , 可提高脱氧效果锰的脱氧反应 Mn+FeO=Fe+(MnO 硅的脱氧反应 Si+2FeO=2Fe+(SiO2 增加金属中的含锰量,减少渣中的 MnO , 可以提高脱氧效果。 在酸性渣中含有较多 的 SiO 2和 TiO 2, 他们与脱氧产物 MnO 生成 复合物 MnO ·SiO 2和 MnO ·TiO 2, 从而使 MnO 的活度系数减小,因此脱

14、氧效果较好。 相反在碱性渣中MnO 较大,不利于脱氧 用 碱 性 焊 条 时 硅 锰 联 合 脱 氧 形 成 MnO ·SiO 2脱氧效果好,单独使用 Mn 效果 不好目的:尽量减少焊缝中的含氧量。14 焊缝金属中硫的危害控制硫以 MnS 、 FeS 两种形式存在于钢中。 MnS 不溶于液态铁中,浮到熔渣中。 少量的 MnS 夹杂物以弥散质点形式分布于 焊缝。FeS 的形式存在:凝固时 FeS 容易发 生偏析,以低熔点共晶 Fe+FeS(985 或 FeS+FeO(940 的形式呈片状或链状 分布了晶界,增加了结晶裂纹的倾向,降 低焊缝的韧性和耐腐蚀性。焊接合金钢、尤其是高镍合金钢时

15、, S 形成的 NiS 又与 Ni 形成熔点为 644的 低熔共晶 NiS+Ni, 使焊缝产生结晶裂纹的 倾向更大。增加含碳量会促使硫发生偏析而加 则它的危害性。控制硫的措施(1限制原材料的含硫(2用冶金方法脱硫15 焊缝中磷的危害磷在钢中主要以 Fe 2P 、 Fe 3P 的形式存 在。在液态铁中可溶解较多的磷,固态铁 中磷的溶解度很低。磷与铁、镍可以形成低熔点共晶。 焊缝凝固时,磷易造成偏析。磷化铁常分布于晶界,减弱晶间结合 力,增加焊缝金属冷脆性;磷还能促使形成结晶裂纹。控制磷的措施:(1限制原材料的含磷量(2用冶金方法脱磷16 合金过渡:就是把所需要的合金元素 通过焊接材料过渡到焊缝金

16、属中去的过合金过渡的目的:1 补偿焊接过程中由于氧化、 蒸发造成合 金元素损失。2 消除焊接缺陷, 改善焊缝金属的组织和 性能。A向焊缝中过渡锰, 可消除因硫引起的 热裂纹;B向焊缝中加入 Al 、 Ti 、 Mo 、 V 、 Nb 、 B 、 RE 等合金元素以细化晶粒,提高焊缝 的韧性 。3 获得具有特殊性能的堆焊金属。常用堆焊方法过渡 Cr 、 Mo 、 W 、 Mn 等合金元素, 使零件表面获得具有特殊性 能的堆焊层, 如耐磨性、 耐热性、 耐蚀性、 红硬性等。合金过渡系数:焊接材料的合金元素 过渡到焊缝金属中的数量与其原始含量 的百分比 .影响过渡系数的因素:1 合金元素的物理化学性

17、质2 合金元素的含量3 合金剂的粒度4 药皮或焊剂的成分5 药皮质量系数第二章1 焊条 由药皮和焊芯两部分组成。 典型焊条 J422(钛钙型焊条酸性焊条 J507(低氢型焊条碱性焊条2焊条的工艺性能焊接电弧的稳定性焊缝成形各种位置焊接的适应性飞溅脱渣性焊条的融化速度药皮发红的程度焊条发尘量3 焊条药皮的作用:1 保护作用2 冶金作用3 使焊条具有良好的工艺性能4 药皮原材料的作用 1 稳弧 2造渣 3造气 4脱氧 5合金化 6粘结 7成 形5 影响焊缝成形的因素:(1熔渣凝固温度(2熔渣的粘度(3熔渣的表面张力(1熔渣与焊缝金属的线膨胀系数相差越大,冷却时熔渣越容易与焊缝金属脱离。(2熔渣的氧

18、化性(3熔渣的松脆性7 与实芯焊丝相比,药芯焊丝优点 具有工艺性好、飞溅小、焊缝成形美观、可采用大电流进行全位置焊接和熔敷效率高等优点。第三章1 熔池凝固的条件和特点1 熔池的体积小,冷却速度大。2 熔池金属处于过热状态。3 熔池在运动状态下凝固4联 生结晶焊接条件下的凝固形态从焊道中心到融合区依次是 等轴晶树枝柱状晶 胞状晶 平面晶 焊接速度增加 等轴晶增多。焊接速度缓慢,胞状晶增多2 焊缝中偏析有三种:1 显微偏析2 区域偏析 3 层状偏析低碳钢焊缝的固态相变组织 F+P低合金钢 F+P+M+B3气孔易出现在树枝静之间的原因因凝固结晶时,熔池金属粘度不断增大,此时 CO 就不易逸出,很容易

19、被围困在晶粒之间, 特别是在树枝状晶体凹陷最低处产生的 CO 更不易逸出4焊缝希望获得的固态相变组织:针状铁素体(AF 细珠光体(S 下贝氏体(B L 板条马氏体(M D 5改善焊缝固态相变组织的途径:(一 焊后热处理(二 多层焊接(三 锤击焊道表面(四 跟踪回火处理6气孔和夹杂的危害:削弱有效工件断面,降低焊缝强度和韧性;产生应力集中 ; 夹杂引起裂纹。7氢气孔 出现在焊缝的表面上,断面形状如同螺钉状, 在焊缝的表面上看呈喇叭口形,而气孔四周有光滑的内壁。有时也会出现在焊缝的内部。氮气孔 形成机理与氢气孔相似,也多在焊缝表面,多数情况下成堆出现,与入熔池所致CO 气孔 焊接碳钢时,冶金反应产

20、生 了大量的 CO , 在结晶过程中来不及逸出而 残留在焊缝内部形成气孔。 气孔沿结晶方 向分布,像条虫状卧在焊缝内部。8影响生成气孔的因素及防治措施: 1 冶金因素的影响(1熔渣氧化性的影响(2焊条药皮和焊剂的影响(3铁锈及水分对产生气孔的影响 2 工艺因素的影响(1焊接工艺参数的影响 I 、 U 、 V(2电流种类和极性的影响(3工艺操作方面的影响9焊缝中的夹杂的危害:焊缝或母材中有夹杂物存在时,不仅 降低焊缝金属的韧性,增加低温脆性,同 时也增加了热裂纹和层状撕裂的倾向。 焊缝中央杂物的种类:氮化物、氧化 物、硫化物。10 防止焊缝中产生夹杂物的最重要方面 就是正确选择焊条、焊剂,使之更

21、好地脱 氧、脱硫等。其次是注意工艺操作: (1选用合适的焊接工艺参数,以利于 熔渣的浮出;(2多层焊时,应注意清除前层焊缝的 熔渣;(3焊条要适当的摆动, 以便熔渣浮出;(4操作时注意保护熔池,防止空气侵 入。11改善焊缝金属性能的途径:固溶强 化、 变质处理 (微合金化 、 调整焊接工艺。 第四章1 HAZ :热源作用下焊缝两侧发生组织和 性能变化的区域。 焊接热影响区有:熔合 区 相变重结晶区 不完全结晶区 时效脆 化区2 焊接与热处理条件比较(1加热的温度高(2加热的速度快(3高温停留时间短(4自然条件下连续冷却(5局部加热长段多层焊:每道焊缝的长度较长,第一 层焊完后再焊第二层时, 第

22、一层已基本冷 至较低的温度。短道多层焊:每道焊缝的长度较短,未等 前层焊缝冷却到较低温度就开始焊下一碳当量:反应钢种化学成分对硬化程度的 影响, 它是把合金元素按其对淬硬的影响 程度折合成碳的相当含量。3 焊接 CCT 的应用(1预测热影响区的组织和性能,评定 HAZ 冷裂倾向。(2可以作为调节焊接工艺参数和改进 工艺 (预热、后热及焊后热处理等 的依 据。影响 CCT 图的因素(1母材化学成分的影响 除钴外, 固溶于奥氏体合金元素都使 C 曲线向右 移,即增加淬便倾向,降低 Ms 点,其中 以碳影响最大。(2冷却速度的影响冷却速度不同, 可得到不同的转变 产物。冷却速度的增大, A 1、 A

23、 3、 A cm 均移 向更低的温度。共析成分也由 0.83%C 转为 0.4-0.8% C ,在快速冷却条件下, 0.4%C 的钢就可 以得到全部为珠光体的组织(伪共析组 织 。冷却速度增大时, M s 有所上升,并且会 改变 M 形态。 因为增大冷却速度使 M 增大 滑移的抗力, 不均匀切变就会以孪晶方式 进行, M 就由条状变为片状。(3峰值温度的影响:T m 越高, 过冷 A 的稳定性加大,也会使 A 晶粒粗化, CCT 图向下和向右移动。(4晶粒粗化的影响 近缝区强烈过 热而使晶粒发生严重长大,影响接头性 能,增大裂纹倾向。(5应力应变的影响焊接时不可避免地会产生热应力、 组 织应力

24、,以及拘束应力。4 HAZ 脆化:粗晶脆化、析出脆化、组织 脆化、热应变时效脆化、氢脆化及石墨脆 化等。第五章1 焊接裂纹的危害性1 脆性断裂 减小有效承载面积, 形成 应力集中。2 隐蔽性 潜在危险3 产生机理的复杂性 难以预防4 主要断裂事故2 热裂纹 是在焊接时高温下产生的,故 称热裂纹。 1 结晶裂纹 2 高温液化 3 应力腐蚀裂纹 在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下产生一种延迟破坏的现象。4 结晶裂纹产生原因(1溶池凝固过程中,先结晶的金属较纯,后结晶的金属含溶质和杂质较多,溶质和杂质富集在晶界(K 0=CS /CL <1 。(2由于成分的偏析,富集的溶质和杂质与基体金属形成较低熔点共晶。(3凝固后期,低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心, 呈“液态薄膜”状覆盖在晶粒的表面,割断晶粒之间的联系。(4由于凝固收缩,焊缝受到拉伸应力作用,焊缝中的液态薄膜成为薄弱地带。在拉伸应力的作用下就有可能在这个薄弱地带开裂而形成结晶裂纹。5 产生结晶裂纹的条件是:焊缝在脆性温度区内所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有塑性, 或者说焊缝金属在脆性温度区内的塑性储备量(es 小于零时就会产生结晶裂纹。液化裂纹的形成机理:由于焊接时近缝区金属或焊缝层间金属在高温下使这些区域的奥氏体境界上的低熔点共晶被重新熔化, 在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶间开裂而形成液化裂纹。6 防治结晶裂纹的措施: